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Smart Grids: Vorteile des intelligenten Energiemanagements mit IoT und KI

Dezember 2, 2021

Jahrelang waren die traditionellen Stromnetze die einzige Möglichkeit, die Verbraucher mit Strom zu versorgen. Dieser Ansatz entspricht den EU-Klimazielen längst nicht mehr. Die Energiewende ist eine beschlossene Sache, die uns vor neuen Herausforderungen stellt. Wie dezentralisiert man die Energiequellen? Wie bewältigt man die wetterbedingten Schwankungen bei der Stromerzeugung oder Stromeinspeisung aus Sonnen- und Windenergieanlagen? Wie transportiert man nachhaltig erzeugten Strom von den Offshore-Anlagen ins Landesinnere? Wie kann man Stromversorgung bei hoher Nachfrage sicherstellen? 

Ein wichtiger Baustein der Energiewende ist die digitale Transformation der Energiebranche. Smart Grid (oder intelligente Stromnetze) ist ein neuer Ansatz, der helfen kann, diese Herausforderungen zu bewältigen. In diesem Artikel erläutern wir, wie Smart Grids funktionieren, und stellen neun konkrete Anwendungsbeispiele für diese Technologie vor.

Was ist Smart Grid?

Kurz gesagt handelt es sich bei einem Smart Grid um ein elektrisches Netz, das mithilfe von neuen Technologien optimiert wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Netzen beinhalten intelligente Stromnetze diese neuen Elemente:

  1. Datenströme von Stromnetzen und Stromverbrauchern
  2. Fortgeschrittene Technologien: IoT-Sensoren, KI-Analytik, Computer Vision
  3. Dezentralisierte Energieerzeugung
  4. Neue Formen der Stromnutzung: Aufladen von Elektrofahrzeugen, Versorgung von vernetzten Häusern usw.

Je nach eingesetzter Technologie lassen sich Smart Grid-Lösungen in zwei Hauptgruppen unterteilen.

Basic level: Smart Grid mit IoT. Die zentrale Funktion von IoT-basierten Smart Grid-Lösungen ist die Überwachung der Netzanlagen in Echtzeit. Mithilfe von IoT-Sensoren sammeln sie Netzdaten und senden sie an die Cloud. Anschließend führen sie eine erste Analyse durch, um den Technikern zu helfen, die gesammelten Daten besser zu verstehen. IoT-gestützte Smart Grid-Systeme machen die Prozesse in der gesamten Energieversorgungskette transparenter. Netzbetreiber können zum Beispiel den Zustand der Anlagen kontrollieren. Anhand dieser Daten können sie fundierte Entscheidungen über Wartung, Reparatur und Stromverteilung treffen. Die Verbraucher wiederum können ihren Energieverbrauch überprüfen und entsprechende Schritte unternehmen, um ihre monatlichen Stromrechnungen zu senken.

Advanced level: Smart Grid mit KI. Im Vergleich zum oben genannten Typ sind diese Lösungen um künstliche Intelligenz erweitert. Hochentwickelte Algorithmen helfen Ihnen, Daten besser zu verstehen, Trends zu erkennen und Vorhersagen zu machen. So können KI-Smart-Grid-Systeme zum Beispiel Netzanlagen auf Abweichungen analysieren. Sie können auch künftige Ausfälle und den maximalen Energiebedarf vorhersagen.

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Die Smart Grid-Technologie sorgt für Transparenz der Prozesse innerhalb des Stromnetzes. Dies hilft, neue Energiequellen in das Netz einzubinden und die Netze effizienter zu verwalten. Werfen wir einen genaueren Blick auf Praxisbeispiele für KI und IoT im Bereich des Energienetzmanagements.

9 Praxisbeispiele für Smart Grid-Lösungen

Verwaltung intelligenter Stromnetze

Heute verwalten viele Netzbetreiber die Daten des Netzes in mehreren isolierten Systemen. Das bedeutet begrenzte Transparenz über freie Netzkapazitäten. Außerdem werden viele Prozesse von Netzingenieuren manuell durchgeführt. Das kostet viel Zeit und birgt die Gefahr von Fehlern. 

Um dieses Problem zu lösen, hat das deutsche Start-up Envelio die “Intelligent Grid Platform” entwickelt. Die Plattform führt Daten aus bisher isolierten Systemen zusammen. Auf diese Weise können Energieversorger digitale Zwillinge erstellen, die das gesamte Netz in Echtzeit visualisieren. So können sie sehen, in welchen Teilen des Netzes es zu Überlastungen von Geräten und Problemen mit der Spannungslage kommt. Die Lösung ermöglicht es Netzbetreibern auch, Simulationsszenarien durchzuführen. So können sie beispielsweise simulieren, wie Netzerweiterungen die Kosteneffizienz beeinflussen oder wie sich neu hinzugefügte Stromanlagen und Verbraucher auf das Netz auswirken werden.

Hauptvorteile: bessere Netzplanung, kostengünstigere Netzverwaltung.

Anlagenausfälle mit KI-Algorithmen vorhersagen

Extreme Wetterbedingungen sind die häufigste Ursache für Stromausfälle. Die Versorgungsunternehmen haben mit extremen Temperaturen, Überschwemmungen, Waldbränden und Stürmen zu kämpfen. Ihre Aufgabe ist es, die Stromversorgung so schnell wie möglich wiederherzustellen. Was wäre, wenn die Versorgungsunternehmen im Voraus über die kommenden Wetterrisiken Bescheid wüssten? Dies würde es ihnen ermöglichen, Personal und Material in den voraussichtlich am stärksten betroffenen Gebieten bereitzustellen. 

Die Forscher am Atmospheric Sciences Research Center arbeiten an einer solchen Lösung. Sie wird in der Lage sein, vorherzusagen, wie sich die Wetterbedingungen auf das Stromnetz auswirken. Das KI-System analysiert eine Kombination von Faktoren. Dazu gehören atmosphärische Phänomene, Bodenbedeckung, Bodeneigenschaften und die Stärke der Stromleitungen und -masten. Die Vorhersagen werden den Versorgungsunternehmen helfen, ihre Ressourcen genau einzusetzen, um die Stromversorgung so schnell wie möglich wiederherzustellen.

Hauptvorteil: schnelle Reparatur von elektrischen Anlagen, die am stärksten von extremen Wetterbedingungen betroffen sind.

Ausreißererkennung

Das Problem mit dem traditionellen Netz ist, dass einige Teile davon sehr alt sind. Unter dem Einfluss von Wetterbedingungen fallen sie oft aus. Und natürlich dauert es seine Zeit, solche Ausfälle zu lokalisieren. An dieser Stelle kommt die Digitalisierung des Stromnetzes durch Datenerfassung ins Spiel. Mit IoT-Sensoren können Energieversorger Daten über den Zustand des Netzes in Echtzeit abrufen, den Ausfall schnell lokalisieren und das System reparieren. 

Heimdall Power bietet sensorbasierte Geräte an, die direkt an der stromführenden Leitung installiert werden. Die Sensoren sammeln Daten über den Stromfluss, den Neigungswinkel der Leitung, Vibrationen, die Temperatur der Leitungen und die Schneelast. Anschließend werden diese Daten in der Cloud mit KI-Algorithmen analysiert, um den Technikern Informationen zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise können Versorgungsunternehmen defekte Leitungen neu zuordnen und die Netzkapazität um 25 % erhöhen.

Auch Drohnen werden zur Fernüberwachung von Stromnetzen eingesetzt. Sie sammeln visuelle Informationen über die Netzanlagen. Die Daten werden dann von KI-Algorithmen auf Abweichungen untersucht. Buzzsolutions hat zu diesem Zweck eine KI-gestützte Plattform entwickelt. Ihre Bildverarbeitungs- und Vorhersagealgorithmen analysieren die Daten von Drohnen, Hubschraubern und Kameras. Bei einer Störung benachrichtigt die Lösung die Techniker über eine benutzerfreundliche Schnittstelle.

Hauptvorteil: schnelle Reparatur von beschädigten Stromleitungen.

Nachfrage vorhersagen

Künstliche Intelligenz kann ein guter Helfer sein, wenn es darum geht, Vorhersagen zu treffen. In intelligenten Stromnetzen wird KI eingesetzt, um den Strombedarf anhand von Daten über das Wetter, die Energiemärkte und das menschliche Verhalten vorherzusagen. Diese Vorhersagen sind besonders für Versorgungsunternehmen von Nutzen: Wenn sie die Nachfragespitzen kennen, können sie Maßnahmen ergreifen, um eine stabile Energieversorgung zu gewährleisten.

Das Unternehmen Myst AI nutzt zum Beispiel KI, um den Strombedarf, die Erzeugung erneuerbarer Energien und die Energiemarktpreise in vielen Regionen vorherzusagen. Diese Erkenntnisse helfen den Versorgern, Energieangebot und -nachfrage aufeinander abzustimmen. Auch andere Nutzer der Stromnetze können von der Plattform profitieren. Eigentümer von Solar-, Wind- und Wasserkraftanlagen können zum Beispiel die Prognosen nutzen, um ihre Einnahmen durch optimierte Angebote zu steigern.

Hauptvorteile: Sicherstellung einer stabilen Energieversorgung während der Spitzenzeiten; mehr Gewinn durch optimierte Energieausschreibungen.

Intelligente Messsysteme

Intelligente Messsysteme informieren Haushalte und Unternehmen darüber, wie sie Energie verbrauchen. Die meisten intelligenten Zähler unterteilen den Stromverbrauch nach Tageszeit, Wochentag und Monat. Ergänzt durch KI werden diese Lösungen zu großartigen Helfern beim Energiesparen.

Grid4C bietet eine KI-Lösung zur Vorhersage des zukünftigen Energieverbrauchs für die nächsten 31 Tage. Das Prognosemodell berücksichtigt die Wetterlage und das Kundenverhalten und sagt dann die monatlichen Stromkosten voraus. Außerdem können die Nutzer Warnungen einstellen, wenn bestimmte Geräte bestimmte Grenzwerte für Verbrauch oder Kosten überschreiten.

Hauptvorteile: geringerer Energieverbrauch und planbare monatliche Rechnungen.

Angebot und Nachfrage ausgleichen

Jedes Jahr fahren mehr Elektroautos auf den Straßen. Das trägt zur Bekämpfung des Klimawandels bei, bringt aber Schwierigkeiten beim Laden mit sich. Die Stromnetze sind derzeit nicht robust genug, um Elektroautos während der Spitzenzeiten mit Strom zu versorgen. 

Aus diesem Grund hat das schwedische Start-up Tvinn eine Smart Grid-Plattform entwickelt, um das Aufladen von Elektroautos zu optimieren. Die Lösung ist eine Kombination aus einem intelligenten Ladesystem und einem Energiemanagementsystem. Die Plattform sagt voraus, wie viel Energie jedes Auto benötigt. Mit der Zeit lernt sie, wie viel Energie die gesamte Flotte benötigt. Dann gleicht die Lösung den Bedarf mit der verfügbaren Energie ab. Wenn das Netz zu Spitzenzeiten nicht ausreicht, greift die Plattform auf potenzielle lokale Energieerzeuger zurück.

Hauptvorteil: störungsfreies Aufladen von Elektroautos auch während der Stoßzeiten.

Drahtlose Energieversorgung

Die Stromkosten sind oft gerade auf Inseln sehr hoch. Ein Beispiel: Auf den Inseln im Pazifik ist der Strompreis fast zehnmal so hoch wie in den USA. Die Bedingungen für die Erzeugung erneuerbarer Energien sind auf den Pazifikinseln optimal, aber sie werden aufgrund von schlechter Erreichbarkeit und hohen Infrastrukturkosten nicht genutzt.

Das neuseeländische Unternehmen Emrod arbeitet an einer Lösung für die Energieübertragung über große Entfernungen, bei der eine firmeneigene Beamforming-Technologie, Metamaterialien und Rectennas zum Einsatz kommen. Das System ist in der Lage, ein Signal über eine Entfernung von bis zu 25 Meilen zu übertragen, und kann durch passive Relais erweitert werden. Für Deutschland könnte diese Technologie eine Lösung im Streit um die Errichtung neuer Stromtrassen sein: Man könnte Energie vom Norden nach Süden übertragen, ohne neue Stromtrassen bauen zu müssen und dabei in die Natur einzugreifen. 

Hauptvorteile: geringere Kosten für den Ausbau und die Verwaltung der Energieinfrastruktur in abgelegenen Gebieten.

Neue Energiequellen entdecken

Ein Smart Grid ermöglicht dezentrales Energiemanagement. Dies eröffnet die Möglichkeit, neue Energiequellen zu erschließen. Manchmal geht dies weit über die Installation von Solarmodulen und Windturbinen auf den Dächern der Häuser hinaus. So hat beispielsweise das niederländische Unternehmen ENLIL eine Lösung entwickelt, die Strom auf Autobahnen erzeugt. Sie nutzt die mechanischen Schwingungen von Fahrzeugen und die Windenergie. Die erzeugte Energie kann dann sofort für den Betrieb der Straßeninfrastrukturen genutzt werden. Sie kann auch zur weiteren Verwendung gespeichert oder in das Stromnetz eingespeist werden. 

Hauptvorteile: keine Energiespeicherung erforderlich, Sicherung der Energieversorgung in Zeiten hoher Auslastung.

Nächste Schritte für Smart Grid

Intelligente Netze erfahren heute mehr Interesse denn je. Sie können Herausforderungen bewältigen, bei denen herkömmliche Netze versagen. Durch Smart Grids können veraltete Anlagen überholt werden. Dies wiederum verringert die Wahrscheinlichkeit von Stromausfällen und Überspannungen. Die Technologie minimiert auch die Energiekosten und ermöglicht es den Versorgungsunternehmen, den steigenden Energiebedarf zu decken.

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